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三維石墨烯超材料研究方面取得重要進(jìn)展

2017-06-30 09:58:38 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：中國(guó)儀表網(wǎng) 分享至：

近日，蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院在三維石墨烯超材料研究方面取得重要進(jìn)展，先后在國(guó)際材料工程領(lǐng)域頂級(jí)刊物Advanced Materials 發(fā)表論文2篇，在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)旗下材料科學(xué)Top期刊ACS Applied Materials & Interfaces 發(fā)表論文一篇。

三篇文論題目分別為：“Flyweight， Superelastic， Electrically Conductive and Flaming Retardant 3D Multi-NanolayerGraphene/Ceramic Metamaterial”、“Naturally Dried Graphene Aerogels with Superelasticity and Tunable Poisson's Ratio”和“Flyweight 3D graphene scaffolds with micro-interface barrier derived tunable thermal insulation and flame retardancy”。該校張強(qiáng)強(qiáng)副教授為論文第一作者（其中一篇為共同一作），蘭州大學(xué)作為其中兩篇通訊單位。

石墨烯（Graphene）獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)賦予了其優(yōu)異的力、電、光、熱等性能，吸引全球科學(xué)家的研究興趣。“如何在大尺度制備石墨烯的宏觀構(gòu)筑體”是目前材料、物理、力學(xué)等學(xué)科重要的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一，對(duì)于推動(dòng)石墨烯微納尺度優(yōu)異特性在宏觀大尺度利用和多功能化發(fā)展具有重要的意義。

蘭州大學(xué)青年教師張強(qiáng)強(qiáng)副教授與哈爾濱工業(yè)大學(xué)李惠教授、普渡大學(xué)Tim Fisher 和Gary Cheng教授等人開(kāi)展合作，并依托西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在功能材料方向的研究平臺(tái)，開(kāi)展了基于仿生機(jī)制三維石墨烯超材料自然干燥可控制備、可調(diào)控泊松比效應(yīng)探索、微界面調(diào)變超絕熱特性，以及超彈性和力學(xué)增韌強(qiáng)化的納米陶瓷/石墨烯復(fù)合材料等方面的研究，取得了系列重要研究進(jìn)展。

仿生啟發(fā)自然干燥制備技術(shù)和可調(diào)變泊松比效應(yīng)。基于生物纖維束微觀交聯(lián)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化的仿生思想，采用Na2B4O7強(qiáng)化微觀骨架初始剛度，C2H8N2調(diào)控石墨烯片還原程度優(yōu)化微觀孔隙表面張力，調(diào)控石墨烯凝膠骨架初始剛度和溶劑蒸發(fā)的毛細(xì)應(yīng)力平衡，實(shí)現(xiàn)在常溫常壓下蒸發(fā)樣品所含溶劑并保持其體積不收縮、結(jié)構(gòu)不坍塌。

首次實(shí)現(xiàn)了常溫常壓條件大尺度制備三維石墨烯材料的自然干燥技術(shù)，對(duì)于石墨烯材料的低成本、大尺度、大規(guī)模化生產(chǎn)應(yīng)用具有重要意義。該方法制備得到的氣凝膠具有比傳統(tǒng)冷凍干燥或者超臨界干燥技術(shù)所得材料更為優(yōu)良的性能，如高達(dá)99%的可恢復(fù)壓縮超彈性、可調(diào)節(jié)泊松比特性、高電導(dǎo)率、穩(wěn)定壓阻效應(yīng)等。（Adv. Mater.，201628， 9223-9230. DOI：10.1002/adma.201605506）

三維石墨烯基納米陶瓷復(fù)合材料多尺度超彈性效應(yīng)。基于石墨烯橋接裂紋界面的強(qiáng)化增韌機(jī)制和納米尺度晶粒有效增強(qiáng)彈塑性變形的效應(yīng)，采用“自下而上”的制備工藝和微觀結(jié)構(gòu)可控設(shè)計(jì)策略，以水熱制備三維石墨烯氣凝膠為基底模板，以原子層沉積（ALD）技術(shù)可控沉積納米厚度Al2O3納米陶瓷，微觀上形成了“納米陶瓷-石墨烯-納米陶瓷”三明治復(fù)合夾層納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了80%彈性變形、耐疲勞增韌特性和超過(guò)200%力學(xué)性能強(qiáng)化，發(fā)現(xiàn)了陶瓷復(fù)合材料在納米尺度上的超彈性效應(yīng)和尺寸效應(yīng)。這對(duì)解決功能陶瓷復(fù)合材料固有脆性和低韌性提供了新的思路和方法手段。（Adv. Mater.， 2017， DOI： 10.1002/adma.201605506.）

微界面熱阻調(diào)控實(shí)現(xiàn)超絕熱和耐火性能。基于設(shè)計(jì)石墨烯微觀上片層組裝界面熱阻，控制微觀骨架的傳熱路徑，增強(qiáng)聲子界面定向散射，實(shí)現(xiàn)三維石墨烯超輕材料導(dǎo)熱系數(shù)的可控調(diào)變，得到了超輕密度<2mg/cm3低于空氣導(dǎo)熱系數(shù)的超絕熱特性~0.0126W/（mK）。以及由于微觀石墨烯單元高活化能導(dǎo)致的良好耐火特性和力學(xué)穩(wěn)定性。（ACS Appl. Mater. Interfaces， 2017， 9 （16）， 14232–14241. DOI： 10.1021/acsami.7b01697）

該系列研究豐富了石墨烯材料研究方法，發(fā)展了基于微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化宏觀性能的石墨烯超材料研究策略，使其可廣泛應(yīng)用于柔性驅(qū)動(dòng)器、大應(yīng)變傳感器、柔性電極材料、藥物傳輸、超輕保溫及防護(hù)、航天航空隔熱屏蔽等領(lǐng)域。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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